混合嵌入式組合循環的製作方法

2023-06-27 16:09:51 1

混合嵌入式組合循環的製作方法
【專利摘要】一種用於通過熱能做功的方法(400,1100)和設備(500,1200)，其包括鍋爐(510)，鍋爐被構造為加熱第一工作流體(F1)的加壓流以形成第一蒸氣。壓縮機(502)壓縮第二蒸氣形態的第二工作流體(F2)。混合腔(504)接收第一和第二蒸氣，將熱能從第一蒸氣直接傳遞給第二蒸氣。從第一蒸氣傳遞給第二蒸氣的熱能通常包括第一工作流體的至少一部分蒸發潛熱。膨脹器(506)被設置為，膨脹從混合腔接收到的第一和第二蒸氣的混合物，從而在熱傳遞操作之後或期間做有用功。該過程是封閉式的，能進行再循環，從而能回收傳統循環過程中通常不再使用的熱能。
【專利說明】混合嵌入式組合循環
【技術領域】
[0001]本發明涉及熱能循環，更具體而言，涉及用於組合熱能循環過程的系統和方法，包括能源多次再循環技術，能在循環中重複再利用通常被廢棄的熱能。
【背景技術】
[0002]熱機使用以熱能形式提供的能量做機械功，排出一部分不能用來做功的熱能。可利用熱源和冷源之間的溫差將熱能轉換為機械功。這種公知的原理如圖1所示，圖1示出了熱源、冷源和產生輸出功的中間熱力循環。熱機可設計在各種不同的公知熱力循環或過程中。屬於這類公知熱機循環的兩種熱機循環包括布雷頓循環和蘭金循環。
[0003]圖2示出了閉式布雷頓循環。工作流體在壓縮機202中被加壓以做功(Win2)，然後被熱源204加熱(Qin2)。被加熱加壓的工作流體然後通過渦輪機206膨脹而釋放出能量。通過渦輪機206從被加熱加壓的工作流體提取一部分功(Wwt2)用於驅動壓縮機202。工作流體然後在冷卻器208中被冷卻(Qtjut2),從而重複該循環過程。
[0004]在上述實例中，布雷頓循環以閉式循環運行。布雷頓循環也可以以開式循環運行(開式布雷頓循環)。在這種配置中，周圍的空氣被吸入壓縮機中，在壓縮機中被加壓。被壓縮的空氣被輸送到燃燒室中，在燃燒室中，燃料燃燒、在等壓過程(即，在恆壓下)中加熱被壓縮的空氣。之後，被加熱加壓的空氣在渦輪機中膨脹，在渦輪機中做機械功。一部分機械功用於驅動壓縮機。之後，空氣從渦輪機被排放到周圍環境(大氣)中。例如，汽輪機是開式布雷頓循環，在航空和電廠中很普遍。
[0005]圖3示出了蘭金循環的基本特徵。在蘭金循環中，液態工作流體通過泵302從低壓側被泵送到高壓側，從而將功(Win3)補充到系統中。加壓的工作流體然後進入鍋爐304中，通過合適熱源在恆壓下被加熱(Qin3)，變成蒸氣。蒸氣然後通過膨脹器或渦輪機306膨脹，從而提供輸出功(Wwt3)。通過渦輪機膨脹的過程將降低蒸氣壓力和溫度，該膨脹過程可以產生一些冷凝物。蒸氣和冷凝物然後進入冷凝器308中，在冷凝器中蒸氣冷凝或冷卻以在恆壓下排出熱量(Qtjut3),變成液體。液體然後進入所述泵中，之後，重複執行該過程。
[0006]組合式循環是兩個或更多個發動機的組合系統，它們通過組合兩個或更多個熱動力循環將熱能轉變為機械能。與第一循環相關的一個熱機排放的能量可用於提供熱源以用於第二循環中。例如，開式布雷頓循環通常與蘭金循環組合以形成用於電廠的組合式循環。開式布雷頓循環通常作為燃燒燃料的渦輪機運行，該燃燒過程排放的能量用作蘭金循環過程中的熱源。在這種情況下，蘭金循環稱之為後置循環，這是因為該循環使用布雷頓循環的廢熱來做有用功。使用高溫(如2000° F)熱源時，開式布雷頓循環與蘭金後置循環組合的組合式循環在理想情況下達到的能量轉換效率應該高達60%。在低溫(如700° F)熱源情況下，轉換效率要低得多，傳統上大致低於35%。

【發明內容】

[0007]本發明涉及一種用於通過熱能做功的方法。該方法包括如下步驟:加熱第一工作流體的加壓流以形成第一蒸氣；以及，壓縮第二蒸氣形態的第二工作流體。之後，不包括任何幹擾結構的情況下，將熱能從第一蒸氣直接傳遞給第二蒸氣。該方法還包括，在熱傳遞過程之後或期間，膨脹第一和第二蒸氣的混合物以做有用功。根據本發明的一個方面，從第一蒸氣傳遞給第二蒸氣的至少一部分熱量包括第一工作流體的蒸發潛熱。該方法還繼續執行如下步驟:將第一蒸氣的冷凝物與第二蒸氣分離。作為分離步驟的一部分，可使用獨立於第一和第二工作流體的冷卻環路以從第一和第二蒸氣中去除掉熱量。流體被分離之後，它們可分別在加熱和壓縮步驟中被再利用。
[0008]該方法包括蒸發過程(其作為分離步驟的一部分)，在蒸發過程中，冷凝物起到蒸發器中的製冷劑的作用。含有第一工作流體的一部分冷凝物在蒸發器中轉變為蒸氣。從而降低了蒸發器中的第一工作流體的溫度。有利地，蒸發器設置在含有從膨脹步驟排出的第一和第二蒸氣混合物的環境中。通過這樣設置蒸發器，熱量能從第一和第二蒸氣傳遞給蒸發器內的冷凝物(即，第一工作流體)。因此，在一部分第一工作流體被再利用於加熱和壓縮步驟之前，蒸發器能預熱該部分第一工作流體。在替換實施例中，在壓縮之前或期間，通過將液體噴射到第二工作流體流中，從而冷卻第二工作流體。該液體可以是第一工作流體。
[0009]根據本發明的一個方面，混合物中的第一蒸氣和第二蒸氣之比可動態變化。根據本發明的另一方面，選擇具有相同化學成分的第一和第二工作流體。根據本發明的第三方面，熱量可從外部熱源補充到第一和第二蒸氣的混合物中。在本發明的另一實施例中，還執行另外的膨脹步驟。有益地，在混合步驟之前執行該另外的膨脹步驟。具體而言，在混合之前使第一蒸氣膨脹以做功。
[0010]本發明還涉及一種設備，用於根據上述方法通過熱能做功。該設備包括鍋爐，該鍋爐被構造為加熱第一工作流體的加壓流以形成第一蒸氣。該設備設置有壓縮機，該壓縮機被配置為壓縮第二蒸氣形態的第二工作流體。請注意，上述的第一和第二工作流體並不必須包括單一的化學結構，因此它們可以包括一些合適的化學成分。該設備還包括接收第一蒸氣和第二蒸氣的混合腔。該混合腔被構造為用於將熱能從第一蒸氣直接傳遞給第二蒸氣，不包括任何幹擾結構。混合腔可選擇地被配置為從外部熱源將熱量補充給第一蒸氣和第二蒸氣的混合物。本發明還包括膨脹器。該膨脹器被配置為膨脹從混合腔中接收到的第一蒸氣和第二蒸氣的混合物。這樣，在熱傳遞操作之後或期間，膨脹器使用第一和第二工作流體做功。很顯然，從第一蒸氣傳遞給第二蒸氣的熱能通常將包括第一工作流體的至少一部分蒸發潛熱。
[0011]該設備還包括冷凝器。有益地，該冷凝器被構造成用於接收第一和第二蒸氣的混合物，並將第一蒸氣(第一工作流體)的冷凝物與第二蒸氣(第二工作流體)分離。冷凝器可操作地與冷卻環路連接。冷卻環路被配置為冷卻第一和第二蒸氣，但是獨立於第一和第二工作流體。該設備有益地被構造為可再利用通過冷凝器已經被分離的冷凝物和第二蒸氣。具體而言，冷凝物(第一工作流體)和第二蒸氣(第二工作流體)可分別在鍋爐和壓縮機中被再利用。
[0012]在本發明的一實施例中，該設備還可包括蒸發器，在蒸發器中第一蒸氣的冷凝物還起製冷劑的作用。在此方面，該設備可被設置為在蒸發器中將至少一部分冷凝物(第一工作流體)轉變為蒸氣。轉變為蒸氣的過程將達到冷卻效果。含有這種被冷卻的第一工作流體的蒸發器能布置在冷凝器內，或設置在冷凝器附近，以吸收可利用的廢熱或從整個循環的其他部分排出的熱量。蒸發器將熱量從混合物傳遞給蒸發器內的第一工作流體。通過這種熱傳遞過程，從而，第一工作流體在鍋爐中被再利用和/或在壓縮機中作為噴霧被再利用之前，其能有效地被預加熱。
[0013]該設備還包括噴射系統。該噴射系統被構造成，在壓縮機中進行壓縮操作之前或期間，通過將液體直接噴射到第二工作流體流中以冷卻第二工作流體。在這種實施例中，有利地，用作噴霧的液體可以是第一工作流體。該設備還可包括一個或更多個控制裝置，其被構造為動態改變進入混合腔中的第一和第二蒸氣的比率。根據本發明的一個方面，第一和第二工作流體可以具有相同的化學成分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]將參照下面的附圖描述這些實施例，附圖中的類似標記表示圖中的類似元件，附圖如下:
[0015]圖1是不意圖，用於不出熱動力循環相關的基本原理；
[0016]圖2是示意圖，用於幫助理解閉式布雷頓循環；
[0017]圖3是示意圖，用於幫助理解蘭金循環；
[0018]圖4是流程圖，用於幫助理解混合嵌入式組合循環。
[0019]圖5是示意圖，用於幫助理解執行圖4中的混合嵌入式組合循環的設備；
[0020]圖6是示意圖，用於幫助理解圖4中的混合嵌入式組合循環的效率；
[0021]圖7是示意圖，用於比較圖6中的混合嵌入式組合循環的效率與蘭金循環的效率；
[0022]圖8是示意圖，用於比較圖6中的混合嵌入式組合循環的效率與布雷頓循環的效率；
[0023]圖9是實例性壓力圖，參照圖5的各個位置示出了混合嵌入式組合循環的工作流體的實例性壓力；
[0024]圖10是實例性溫度圖，參照圖5的各個位置示出了混合嵌入式組合循環的工作流體的實例性溫度；
[0025]圖11是流程圖，用於幫助理解包括集成式製冷循環的混合嵌入式組合循環的替換實施例；
[0026]圖12是示意圖，用於幫助理解被構造為執行圖11中的混合嵌入式組合循環的設備;
[0027]圖13是示意圖，用於幫助理解圖12的混合嵌入式組合循環的效率；
[0028]圖14是實例性壓力圖，參照圖12的各個位置示出了混合嵌入式組合循環的工作流體的實例性壓力；
[0029]圖15是實例性溫度圖，參照圖12的各個位置示出了混合嵌入式組合循環的工作流體的實例性溫度；
[0030]圖16示出了某實施例，在該實施例中，用於圖12中的蘭金循環部分的高溫熱源是從開式布雷頓循環燃燒系統(如氣體渦輪機)輸送的；
[0031]圖17是圖12中所示的設備的替換實施例；
[0032]圖18A和18B是圖表，用於幫助更詳細理解圖13所示的系統。【具體實施方式】
[0033]下面將參照附圖描述本發明。這些附圖沒有按照比例繪製，提供這些附圖僅用於示出本發明的總體性實施例。下面將參照用於闡釋的示例應用來描述本發明的幾個方面。應該理解為，描述了許多特定細節部分、關係和方法以便於完全理解本發明。但是，相關領域的普通技術人員將能意識到，不採用一個或多個所述特定細節內容或採用其他方法也能實施本發明。在其他情況下，沒有詳細示出公知結構或操作以免不能清楚理解本發明。本發明並不局限於按照所示次序來執行步驟或過程，可以採用不同次序執行一些步驟；和/或，在執行一些步驟的同時還執行其他步驟或過程。另外，不需要執行所示的所有步驟或過程來實施根據本發明的方法。
[0034]本發明涉及一種用於通過熱能做功的方法。圖4中示出了流程圖以幫助理解本方法。方法400從步驟402開始，在步驟402中，在一定壓力下加熱第一工作流體(液體)以產生加壓蒸氣(第一蒸氣)。在步驟404中，在第一膨脹器中通過膨脹第一蒸氣來可選擇性地做功，但是，該步驟並不是必須的，在本發明的某些實施例中可以省去該步驟。在這類實施例中，由步驟402產生的加壓蒸氣能直接被傳送到混合步驟408中。
[0035]在執行步驟402和404的同時，在步驟406中壓縮由第二工作流體形成的第二蒸氣。在某些實施例中，為了達到冷卻目的，在壓縮步驟之前或期間，可步驟405而將可選的液體噴霧補充到第二工作流體中。之後，在步驟408中，第一蒸氣和第二蒸氣在大致相等壓力下混合，以形成蒸氣混合物。蒸氣混合物在文中有時也稱之為第三工作流體或第三蒸氣。在可選的步驟409中，可從系統外部的源將附加熱量補充到蒸氣混合物(第三蒸氣)中。在某些情況下，在循環的該階段補充熱量這一步驟並不是必須的，可以省掉該步驟。
[0036]在步驟410中，通 過膨脹蒸氣混合物來做功。從一第二膨脹裝置的一側至另一側產生壓降，從而可促進蒸氣混合物膨脹。在步驟412中，第一蒸氣在冷凝器中冷凝以恢復成第一液體狀態。第二蒸氣可保持蒸氣狀態。此時，通過在步驟406中再壓縮第二蒸氣、在步驟402中再加熱第一液體，可以重複執行該過程。
[0037]現在將針對圖5所示的熱機500更詳細描述方法400。熱機500能實施方法400。但是，應該理解為，僅以示例而非限制本發明的方式配置熱機500。可對組合在本創新方法中的熱機進行許多變形。例如，並不要求軸壓縮(shaft compressing)502、508和506連續。同樣地，如果熱機能執行方法400中的各個步驟，則其他元件可被替代掉。因此，組合在本創新方法中的熱機可以包括更多或更少的元件或步驟，但是，這些仍落入本發明的範圍內。
[0038]現在參照圖5，使用泵501對液態的第一工作流體(F1)加壓。加壓流體然後被傳送到鍋爐510中，從而從熱源將預定熱量Qin5補充到第一工作流體中。由於這些操作中的一個或更多個操作，因此，第一工作流體轉變為第一蒸氣。之後，第一蒸氣可選擇性地被傳送到第一膨脹器508中，在該第一膨脹器中做功Wrat5at5可以採用任何合適的膨脹器來達到此目的，只要膨脹器能使用加壓蒸氣做有用功即可。例如，第一膨脹器可以是膨脹式渦輪或渦輪膨脹器、葉輪式膨脹器或往復式膨脹器，本發明並不局限於此。
[0039]一旦已經使用第一蒸氣在第一膨脹器508中做功Wout5a,第一蒸氣就從膨脹器排到混合腔(其在文中有時稱之為混合器)504中。第一蒸氣在經過第一膨脹器508之後將含有熱潛能(熱能)，其在文中稱之為Qilrftejec^[0040]如上所指出，該循環過程不一定要求執行第一工作流體在第一膨脹器508中膨脹的膨脹步驟。在這類實施例中，可將第一蒸氣從鍋爐510直接傳送到混合腔504中，如下所述。將根據各種設計依據決定選擇使用或不使用第一膨脹器508。例如，計算機模擬技術已經顯示:熱源溫度相對高時，使用第一膨脹器將能顯著提高系統效率。已經發現，在源溫度較低的情況下，膨脹器對效率影響較小。
[0041]在執行涉及第一工作流體的上述操作的同時，在壓縮機502中壓縮以第二蒸氣形態存在的第二工作流體(F2)。該步驟包括將功(其在圖5中表示為Win5)輸入到系統中。之後，來自於壓縮機502的壓縮蒸氣從壓縮機被傳送到混合腔504中。在混合腔504內，第一蒸氣和所述第二蒸氣組合或混合以形成第三工作流體(第三蒸氣)F3,其是第一蒸氣和第二蒸氣的混合物。由於工作流體的這種混合，流體之間將容易發生熱傳遞，使至少一部分與第一蒸氣相關的熱能(Qin-K_J被傳遞給第二蒸氣。可供選擇地，此時可將附加熱提供給混合腔中的第三工作流體。例如，能從圖5所示系統外部的源將附加熱提供到混合腔中。
[0042]請注意，並不需要在混合腔504內發生從第一蒸氣向第二蒸氣傳遞熱量的所有熱傳遞過程。在本發明的某些實施例中，一部分這種熱傳遞過程可在第三蒸氣離開混合腔504之後發生。例如，在本發明的某實施例中，當第三蒸氣繼續經歷下述膨脹循環時，至少一部分這種熱傳遞過程能繼續進行。另外，流體也能在大致相等的溫度下進入混合器中。但是，由於這些流體的化學成分差異，流體之間的熱傳遞或熱交換可能發生在隨後的膨脹循環過程中。下面將針對膨脹器506描述膨脹循環過程的細節內容。
[0043]很顯然，上述熱傳遞過程將直接發生在混合的工作流體之間，而不經過物理邊界。如果採用傳統熱交換器用於此目的，上述熱傳遞過程將經過物理邊界。因此，熱量能夠基本上瞬時、高效地從第一蒸氣傳遞給第二蒸氣。
[0044]混合腔504接收壓力為P1的一定體積流量的蒸氣流體F1和壓力為P2的一定體積流量的蒸氣流體F2，其中，壓力P1和P2基本相等。在本發明的某實施例中，相對於流體F1和匕的流量而言，混合腔的容積不受限制。從而，可選擇混合腔的容積以滿足VF1+VF2=VF3，其中，Vfi是流體F1的體積流量，Vf2是流體F2的體積流量，Vf3是流體F1和流體F2在接近恆壓情況下的總體積流量。但是，本發明並不局限於此，混合腔504的容積可增大或減小，從而，可能改變流速，影響第三工作流體F3 (第三蒸氣F3)的壓力。
[0045]通過混合第一蒸氣和第二蒸氣所形成的第三蒸氣在一定壓力下從混合腔504被傳送到第二膨脹器506中，以做有用功。第二膨脹器506產生的有用功在圖5中表示為Wout5bo公知的傳統膨脹器技術可用於此目的，只要其能使用加壓蒸氣做有用功即可。例如，第二膨脹器可以是膨脹式渦輪、渦輪膨脹器、葉輪式膨脹器或往復式膨脹器。對於該循環過程的特定實施例而言，有利地，本領域的普通技術人員將選擇膨脹器，從而根據被傳送到膨脹器中的流體F3的特定屬性使轉換效率達到最高。但是，本發明並不局限於此，通過第二膨脹器506做功之後，第三蒸氣從第二膨脹器被傳送到冷凝器512中。
[0046]冷凝器512可以是能將工作流體從其蒸氣狀態冷凝成液體狀態的任何裝置。在本領域眾所周知的是，通常在指定壓力狀態下冷卻工作流體來實現冷凝。在圖5所示的典型配置結構中，可通過蒸發器518進行冷卻，這是一種有效降低冷凝器中的溫度的方式。本領域的普通技術人員將能意識到，這種冷卻過程通常包括通過第三工作流體釋放熱量。採用泵送和/或製冷方式將熱量從冷凝器轉移到冷源516中，從而進一步執行該冷卻過程。從冷凝器中除掉的熱量在文中將稱之為9_5。在該實例中，Qwt5還包括以傳導和/或對流方式從冷凝器512直接釋放到大氣中的熱量損失。根據某些實施例，冷凝器512可以是熱交換器，其利用泵514將熱量傳遞給冷卻劑，在工業生產過程中在配置中採用泵是普遍採用的方式。冷凝器的性能取決於許多因素，包括流體成分的屬性、流體流量、流體比率、冷凝器壓力和溫度、硬體或設備物理結構。冷凝器設計領域的普通技術人員將能完全意識到，這些因素全部都是普通變量。
[0047]在本發明中，有利地，冷凝器512被構造成在所述冷凝器中將第一蒸氣F1轉變成冷凝物，但是並不使第二工作流體F2冷凝。換句話說，第二工作流體保持為蒸氣狀態。本領域的普通技術人員將能意識到，這可通過選擇物理屬性不同的第一和第二工作流體來實現。由於第一和第二工作流體以這種方式聚集在冷凝器中，因此，該過程返回到其初始點，第一工作流體為液態，第二工作流體為蒸氣態。之後，通過使用聚集在冷凝器中的第一和第二工作流體，可以在連續循環過程中重複執行上述全部過程。
[0048]本領域的普通技術人員將能意識到，實際上，冷凝器通常不能完全冷凝100%的待被冷凝的蒸氣。因此，本實施例中的冷凝器512實際上沒有使蒸氣混合物(第三蒸氣)中的第一蒸氣100%冷凝。但是，對於本發明的目的而言，這種情況是可以接受的，一部分未被冷凝的第一蒸氣可保持與第二蒸氣混合，繼續被傳送到壓縮機502中。對於本說明書的目的而言，從設計角度來說，未被冷凝的該部分蒸氣可以認為是F2的成分。
[0049]根據循環內部流體的溫度和壓力，同時協調地選擇流體的最合適的化學配置，這樣能使熱機500及其循環最優化。例如，在某些實施例中，第一和第二工作流體能由不同的化學成分組成。但是，本發明並不局限於此，在第一和第二工作流體實際上是相同的化學流體的情況下，也能運行該循環過程。在這種實施例中，可控制冷凝器512內的流體F3的冷凝比率或排出率(dropout rate),從而,可讓一部分(或一定比率)流體以蒸氣狀態有效地進入循環中(因此其被再次用作為F2),同時可讓剩餘部分冷凝成液態(從而其可被再次用作為F1)。
[0050]圖5中所示的上述過程對應於圖4所示的循環過程中的某些步驟。例如，泵501泵送第一工作流體以及在鍋爐510中加熱第一工作流體的過程通常對應於步驟402。在第一膨脹器508中膨脹第一工作流體的過程、以及冷卻工作流體的過程通常分別對應於圖4中的步驟404和412。本領域的普通技術人員將能意識到，步驟402、404、410、412中的泵送、加熱、膨脹和冷卻過程類似於傳統蘭金循環中執行的相應過程。因此，為方便起見，有時將循環中的這些部分稱之為該循環過程的蘭金循環部分，或簡稱為蘭金循環部分。
[0051]類似地，在壓縮機502中壓縮第二蒸氣的過程、在混合腔504中混合的過程、以及可選擇地將熱量補充給混合腔中的第三蒸氣的過程大體上可分別對應於圖4中的步驟406、408和409。在第二膨脹器506中膨脹蒸氣混合物(第三蒸氣)的過程、以及隨後在冷凝器512中執行的冷凝過程大體上可分別對應於圖4中的步驟410和412。本領域的普通技術人員將能意識到，在壓縮機502中執行的壓縮過程、在混合腔504中執行的加熱過程、在第二膨脹器506中執行的膨脹過程、以及在冷凝器512中執行的冷卻過程類似於傳統的閉式布雷頓循環中執行的對應過程。因此，為方便起見，有時將循環中的這些部分稱之為布雷頓循環部分、或循環中的布雷頓部分。
[0052]很顯然，圖4和5的循環中的一些方面對於蘭金循環部分和布雷頓循環部分而言是共同的過程。這些共同過程為蘭金循環與布雷頓循環相重合的部分。在圖4中，共同的步驟包括混合步驟(408)、可選擇地將熱量補充給第三蒸氣的步驟(409)、膨脹步驟(410)以及冷凝步驟(412)。在圖5中，這些過程將在混合腔504、第二膨脹器506和冷凝器512中執行。事實上，可以這樣說，蘭金循環的一部分嵌入在布雷頓循環中。同樣地，為方便起見，有時將循環中兩種工作流體混合的這部分過程稱之為嵌入循環部分。
[0053]與傳統系統相比，參照圖4和5所述的方法具有許多優點。例如，在該方法中，通過使工作流體作為熱交換器(或起熱交換器作用)，從而達到相當高的傳熱率。本發明能達到的另一個優點是:通過選擇流體化學屬性、溫度和壓力，從而可使用蒸發潛熱用於熱交換目的。具體而言，鍋爐510提供給第一流體(F1)的熱能可至少等於該工作流體的蒸發潛熱。本領域的普通技術人員將能意識到，液體轉變成蒸氣可產生十分高的熱容量。
[0054]傳熱率高能實現兩個重要目的。第一，直接混合過程不需要增加熱交換器硬體，否則將會增加與購買、不動產和維護相關的成本。第二，直接混合將提高傳熱效率，從而能有效地使循環在熱傳遞在幾乎瞬時的情況下進行。由於工作流體之間的傳熱率更高並且它們在一起做功，因而，與其他方法相比，在使用相同熱(溫度)基準的情況下，將會從一定質量流量的流體混合物中獲取更多有用能。因此，當混合流體在膨脹過程中協調運行時，第一流體中的更多潛熱能可用於在膨脹器506中做功。
[0055]參照圖4和5所述的循環及相關設備可能會使溫度相對低(如，低於800° F)的熱源的轉換效率增加，且所述轉換效率能夠增加至使得所述熱源可與烴基能源相媲美。本發明的一個方面涉及增加混合腔504中的流體F1和F2(處於蒸氣狀態)的體積，從而能達到上述重要效果。混合這兩種蒸氣的過程助於提供相對大量的可利用能給第二膨脹器506。請注意，循環的蘭金循環部分(泵501、鍋爐510、以及第一膨脹器508)獨自能產生較小的可利用蒸氣容積(相對於補充的大量熱能而言)，但是，該流體傳送的熱容量十分大。相反地，布雷頓循環部分(第一壓縮機502、混合腔504、第二膨脹器506、冷凝器512)獨自能產生較大的蒸氣容積，但有效或高效地進行熱交換的能力較小。通過結合熱容量和容積容量，從補充的單位熱能中獲取功的可能性將更大。
[0056]在本發明中，通過蒸發方式從熱源中獲取大量熱能。蒸發潛熱提供了一種有用的方式，可用於將液體中的大量熱能轉變成存儲在蒸氣中的動能。但是，蒸氣流體做功以及因此產生能量的能力受所產生的總容積(相對於產生該容積所消耗的熱量而言)限制。為了克服這種局限性，有利地，第二流體容積較大將會促進產生實際能量這一過程。
[0057]提供容積較大的蒸氣態第二流體會帶來另一個挑戰。具體而言，蒸氣流體難以通過熱交換裝置加熱，這是因為，這類裝置受對流原理控制。在本發明中，(在循環的蘭金循環部分中)可將大量熱潛能轉移到第一工作流體F1中，然後，(在循環的布雷頓循環部分中)通過混合第一和第二工作流體將該熱能直接傳遞給第二工作流體，因此，本發明克服了現有技術的局限性，可助於提高效率。很顯然，布雷頓循環和蘭金循環均能以相對低的效率(假定熱源溫度為325° F的情況下，效率通常小於15%)將熱能轉換為電能或機械能。但是，通過組合這些單獨的循環過程使各循環的最優特性得以利用，從而最終效率會相當高。
[0058]現在參照圖6，圖6示出了示意圖，用於理解上面參照圖4和5所述的循環的效率。在圖6中，第一方框601總體上表不圖4和圖5中的蘭金循環部分,第二方框602總體上表不圖4和5中的布雷頓循環部分,第三方框603表不圖4和5中的嵌入循環部分。嵌入循環部分603實際上是蘭金循環部分和布雷頓循環部分的組合部分，因此，示出嵌入循環部分與方框601和602局部重疊。在下面參照圖6所述的計算機模型中，包括可選擇的第一膨脹器508作為模擬系統的一部分，但是省掉可選擇的步驟409 (即，沒有從任何外源將附加熱補充到混合腔504中的工作流體中)。另外，該模型中所使用的流體可認為是如下流體:第一工作流體F1 (蘭金循環部分)為100%戊烷或(可選擇地，為50%戊烷和50%甲醇)；第二工作流體F2 (布雷頓循環部分)為24%戊烷、49%氦和27%氮，上述含量為佔第二工作流體總質量的百分比。第三工作流體中的第一和第二工作流體的相對混合比可認為是:39%的第一工作流體(F1)AFo的第二工作流體(F2)。所述第二工作流體的各組分佔總質量流量的百分比分別為:15%戊烷、30%氦、16%氮。換句話說，這些值表示組分百分比，它們是總質量流量或FJF2的函數。
[0059]很顯然，示意圖示出了在相對低的基準溫度(T=500° F)下的循環效率。圖13中示出了 T=700° F和T=300° F情況下的循環效率計算結果。每種情況下的循環效率取決於涉及許多變量的具體計算機模型。這些實例嘗試與使用標稱值(與理想值不同)的情況一致。本領域的普通技術人員將能意識到，對於從某些可再生能源(如地熱)獲取的熱能而言，通常是相對低的溫度狀況，在地熱情況下蒸氣源溫度通常大致為325° F。但是，應該理解為，本發明並不局限於任何特定的源溫度運行範圍。本發明可能會在溫度範圍大的情況下提高熱能轉換成電能或機械能的轉換效率。
[0060]在圖6中，在溫度為500° F下，外部源提供10個單位的熱能(Qin6)給蘭金循環部分。可使用計算機模型來證明:這種情況下蘭金循環部分的效率大致為12.2%(n=12.2%)。該值表不:蘭金循環部分601與布雷頓循環部分602相結合之前(即，在混合腔504中混合工作流體之前)蘭金循環部分601的效率。蘭金循環部分中的剩餘能量被傳遞到布雷頓循環部分602中。計算機模型顯示:這種情況下布雷頓循環部分的效率為33.2%(n=33.2%)。
[0061]很顯然，通過將能量從蘭金循環部分傳遞給布雷頓循環部分，布雷頓循環部分的效率會比本領域普通技術人員的期望值要更高。效率提高通常是由於:從蘭金循環部分補充到布雷頓循環部分中的容積流量增加。因為可選擇的第一膨脹器包含在圖6的計算機模型中，因此，一部分蘭金循環能量消耗在第一膨脹器508中。如果可選擇的第一膨脹器508不包含在該模型中，那麼，布雷頓循環效率應該會進一步提高，這是因為，蘭金循環部分中的更多能量可用於布雷頓循環部分。
[0062]從輸入給圖6所示系統中的10個單位的熱能中，在蘭金循環部分601中可獲取
1.22個單位的功(Wtjut6a)。由於嵌入循環部分中的混合腔的效果，排出的8.78個單位的熱能從蘭金循環部分601傳遞到布雷頓循環部分602中。通過所傳遞的8.78個單位的熱能，布雷頓循環部分將獲取2.92個單位的功(Wrat6b)。最後，將從組合系統中釋放出5.86個單位的熱能。在最初的10個單位熱能中，有4.14個單位的熱能轉換成有用功(1.22+2.92=4.14)，有5.86個單位的熱能作為廢熱排出。如果使用典型的實際元件，將排出的5.86個單位的熱能(Wtjut6)從冷凝器中去除時，系統會消耗1.14個單位的有用功(Win6)。在考慮冷卻所需的泵送過程的情況下，計算機模型顯示，圖6所示系統實際達到的效率為30%。當熱源溫度為500° F時，該效率為總系統效率。
[0063]圖6中達到的效率值表明，與採用傳統硬體在相同溫度下運行的傳統循環所達到的效率相比較而言，效率顯著提高。通過比較圖6中的結果與圖7和圖8所示的蘭金循環和布雷頓循環達到的結果，可充分理解這一點。如圖7所示，在相同溫度範圍(T=500° F)下運行的傳統蘭金循環的效率通常大致僅為21.6%。類似地，在相同溫度範圍下運行的傳統布雷頓循環的效率通常大致僅為21.4%。參照圖4-6所述的方法/系統所達到的效率為30%，因而，與傳統蘭金循環或傳統布雷頓循環相比，效率顯著提高，其中所有的比較計算均以標稱硬體性能為基礎。如圖6所示，在其他溫度下，效率同樣會顯著提高。在源基準溫度為700° F下，估測出效率為38.5%。在源基準溫度為300° F下，估測出效率為22.7%。這些效率值也表明，與在相同溫度下運行的傳統蘭金循環或布雷頓循環(參照圖7和8)達到的相應效率值相比，有利地提高了效率。
[0064]現在請參照圖9，示出了實例狀態圖，該圖示出系統500內的壓力與位置之間的關係。根據循環內的位置以及工作流體類型示出了壓力值。在圖9中，代表布雷頓循環壓力和蘭金循環壓力的線的重疊區域表示嵌入循環部分。請注意，在循環的該部分期間，第一和第二工作流體處於混合狀態。也請注意，圖9中的壓力單位為磅/平方英寸(絕對壓力)(psia)。
[0065]圖10是實例狀態圖，示出系統內的溫度與位置之間的關係。根據循環內的位置和流體類型示出了溫度。重疊區域表示循環的嵌入部分。在圖10中，代表布雷頓循環壓力和蘭金循環壓力的線的重疊區域表示嵌入循環部分。本領域的普通技術人員將能意識到，圖9中的壓力和10中的溫度僅用於示例說明，本發明並不局限於所示值。
[0066]在本發明的替換實施例中，通過使用工作流體在循環過程內部用於冷卻，可進一步提高循環效率。從而，一部分通常被排出的熱能(傳統上被冷凝器去除掉)能被再引入循環中，在其能被利用的位置上做功。在循環中再利用有用熱能的這種迭代方法進一步有助於提高總效率。參照圖11和12描述這種方法的一個實施例。但是，應該理解為，本發明並不局限於此，也可採用被合理設計的其他冷卻方法，這些方法目前或將來對於本領域的普通技術人員來說是公知的。所需要的是，第一或第二工作流體在循環內被內部使用，起到冷卻或製冷作用。
[0067]圖11和12中所不的實施例將蘭金循環的一些方面、閉式布雷頓循環的一些方面以及製冷循環組合在一起，與蘭金循環和布雷頓循環相關的工作流體在製冷循環中運行。蘭金循環、布雷頓循環和製冷循環高效地嵌入或組合到整個循環的變化部分中，從而，與參照圖4和5所述的實施例相比，提高了熱轉換效率。該方法能從冷凝器中去除掉熱(熱能)，然後將這些熱能有利地重新補充到蘭金循環中，之後補充到布雷頓循環的流體中。圖11和12中所示的實施例也減小了被排放到大氣中的熱能。
[0068]現在請參照圖11，圖11提供的流程圖有助於理解本發明的替換實施例。方法1100可從步驟1102開始，在步驟1102中，將熱量補充到預定壓力下的第一流體(液體)中；例如，該步驟可在鍋爐中執行。加熱第一工作流體可產生加壓蒸氣(第一蒸氣)。在步驟1104中，通過在第一膨脹器中膨脹第一蒸氣以可選擇性地做功。如前面參照圖4和5所解釋的那樣，在不明顯降低總體系統效率的情況下，在某些應用場合中可以省掉該膨脹步驟。
[0069]在執行步驟1102和1104的同時，在步驟1106中壓縮第二蒸氣。在該壓縮步驟之前或期間，在步驟1105中可將液體噴霧補充到第二蒸氣中。在某些實施例中，液體噴霧可由第一工作流體組成。補充液體噴霧可有利地起到冷卻作用。在下面的描述中將更詳細地描述該冷卻操作。在步驟1108中，第一蒸氣與第二蒸氣在大致相等壓力下混合。很顯然，在本發明中，在相等壓力下混合是一種優選實施方式，但是，本發明並不局限於此方式。在某些運行條件下，在不同壓力下混合也能帶來益處，本發明包括這類替換方式。在步驟1109中，來自於外源的附加熱可以選擇地補充到步驟1108所形成的蒸氣混合物中。在步驟1110中，通過蒸氣混合物的膨脹來做功。通過在第二膨脹裝置的一側至另一側產生壓降，可促進蒸氣混合物的膨脹。在步驟1112中，在冷凝器中第一蒸氣冷凝以恢復成第一液體。第二蒸氣保持為蒸氣狀態。
[0070]在步驟1114中，通過使用凝結的第一流體作為冷卻劑(或製冷劑)來冷卻冷凝器。在下面的討論中將更詳細解釋步驟1114。在步驟1116中，將凝結的第一流體提供到步驟1102中，在步驟1102中，(如，在鍋爐中)熱量再次補充給一定壓力的第一流體。在步驟1116中，也可選擇地提供凝結的第一流體用於步驟1105。在步驟1118中，將第二蒸氣提供到步驟1106中，在步驟1106中再次壓縮第二蒸氣。該壓縮步驟由於可降低壓縮機低壓側的第二蒸氣壓力，因而可進一步冷卻冷凝器。然後在所形成的混合溫度和壓力下將該被壓縮的第二蒸氣提供到步驟1108中，從而重複執行該過程。
[0071]現在將參照圖12更詳細描述圖11中公開的方法，圖12公開了一種熱機1200，熱機1200能實施圖11中的方法。本領域的普通技術人員將能意識到，熱機1200僅是用於實施圖11公開的方法的一種可能結構，本發明並不局限於此。熱機1200包括的許多元件與圖5所示熱機的元件相同，這些元件的運行方式與圖5所示方式基本相同。但是，對於熱機1200而言，第一工作流體用作蒸發器1202內的製冷劑(或，具有製冷劑的能力)以執行製冷循環部分。
[0072]在本發明的某實施例中，可使用一個或更多個膨脹閥或節流閥1204來實現第一工作流體的蒸發。當第一工作流體被吸入膨脹閥1204或任何其他合適的蒸發環境中時，第一工作流體(液態)轉變成蒸氣，從而實現蒸發。本領域的普通技術人員將能理解，第一工作流體轉變為蒸氣狀態將可能在降低壓力和進行蒸發時降低溫度，從而降低了第一工作流體的溫度。這種降溫將能使第一工作流體從蒸發器1202周圍的第三工作流體(蒸氣態)中吸收熱量。
[0073]在本領域中，膨脹閥和其他類型的蒸發裝置是公知的，因此文中不將對此進行詳細描述。但是，應該理解為，在冷凝器中在壓力P1下為液態冷凝物形式的第一工作流體F1有利地在蒸發器1202的膨脹盤管(或類似蒸發環境)中蒸發。膨脹盤管內的壓力比冷凝器512中的環境壓力要低。通過使用泵501可促使形成這種較低壓力。具體而言，泵通過膨脹閥(阻氣閥或節流閥)1204能將至少一部分液體F1吸入蒸發器1202內的蒸氣中。從冷凝器512提取的熱(熱能)被泵送回蘭金循環部分中。請注意，與輸送到冷凝器中的蒸氣混合物相關的一部分熱量會損耗到大氣中。在圖12中，該損耗熱標記為Qwt5。
[0074]在圖12中，構成蘭金循環部分的部件包括泵501、鍋爐510和第一膨脹器508。從製冷循環部分中獲取的熱能之後可用於蘭金循環部分和布雷頓循環部分以做功(產生電能或機械能)。使用工作流體在上述嵌入循環模塊中執行製冷循環是一種新穎的方式。但是，請注意，對熱循環產生的最終影響類似於給水加熱原理。這種情況下，通過降低蒸發器中的液體匕的溫度，可更高效地從循環中獲取熱量。相比較而言，傳統給水加熱器通過簡單的熱交換傳導而從循環的外部分獲取熱量。從而，該實施例並未簡單地將多餘熱量排到大氣中(如圖4-6中採用的方式)，相反，泵501可讓冷凝器中的熱量在系統內被再使用，即，工作流體F1從冷凝器512被提供到溫度更高(即，溫度高於冷凝器內的冷凝溫度)的鍋爐510 中。
[0075]第一工作流體在吸收了泵501的低壓側的低壓熱量之後被進一步加熱，之後進入鍋爐510中。在加熱用泵501的高壓側(高P)，在更高壓力下進行該加熱過程，其中在泵的更高壓力下迫使F1蒸氣部分恢復成液態。在鍋爐510內，在更高壓力(高P)下，熱能(Qin5)被補充到第一工作流體中。可選擇(限定)整個循環的溫度、壓力和流量，以使液態形式的第一工作流體再次轉變為蒸氣形態。根據本發明的某實施例，通過蒸發潛熱方式使熱能Qin5被主要吸收到流體中。也可進一步加熱蒸氣態流體，這對於本領域的普通技術人員來說是公知的。第一工作流體(第一蒸氣)在鍋爐510中被加熱之後，其作為蒸氣被傳送到第一膨脹器508中做有用功。之後，第一工作流體在混合腔504中與第二工作流體混合，以形成第三工作流體。第三工作流體然後可用於在第二膨脹器506中做有用功。之後，第三工作流體被傳送到冷凝器512中重複該過程。
[0076]與圖4-6中所示的實施例相比，圖11和12中所示的本發明的實施例具有一些優點。例如，圖11和12所示的實施例可有利地讓冷凝器512變得更冷，同時，需要從鍋爐510獲取更少熱能。計算機模型顯示，在參照圖12所述的實施例中，從冷凝器512傳遞給鍋爐510的熱能比運行泵501所需的能量大致要多三倍。該估測結果基於通過採用商業上成熟的熱泵技術501進行的循環所達到的性能係數(CoP)。但是，能意識到，在某些情況下，第一工作流體也可不作為理想製冷劑運行，從而性能係數會更低。
[0077]從上面的描述內容將能理解到，熱機1200利用第一工作流體的性能係數(CoP)來滿足冷凝器512的一部分製冷需要(去掉第三工作流體中的熱量)，並將熱能再次傳送給鍋爐510。第一工作流體在第一膨脹器中做功之後，其在混合腔504中與第二工作流體混合。因而，從蘭金循環部分排出的熱(Qin-R6j6rt)可用於布雷頓循環部分中以在混合腔504中加熱第二工作流體，之後在膨脹器506中加熱第二工作流體。從布雷頓循環部分(其含有蘭金循環部分的嵌入部分)排出的熱在冷凝器512中被除掉，之後，整個循環過程重複。
[0078]前面的描述提供了一種可能的方法，通過該方法，可冷卻第一工作流體，然後第一工作流體被用於吸收第二工作流體的熱量。但是，應該意識到，本發明並不局限於在此所述的用於在冷凝器512中冷卻工作流體的特定方法。目前或將來公知的其他合適方法可用於此目的。所需要的是，對於循環的一部分而言，第一工作流體可用作為冷卻劑或製冷劑，以提供一種用於傳遞熱能(其為該過程的一部分)的途徑。將參照圖17進一步描述這種方法的一個實例。
[0079]圖13是示意圖，用於理解上面參照圖11和12所述的循環效率。蘭金循環部分1301表示圖12中的循環的一些部件，包括泵501、鍋爐510、第一膨脹器508和冷凝器512。布雷頓循環部分1302表示圖12中的一些部件，包括壓縮機502、混合腔504、膨脹器506和冷凝器512。示出嵌入循環部分1304為與方框1301和1302重疊的部分，這是因為，嵌入循環部分實際上將蘭金循環部分和布雷頓循環部分組合在一起。嵌入循環部分1304表示圖12中的循環的一些部件，包括混合腔504、第二膨脹器506、冷凝器512和節流閥1204。包含在嵌入循環部分中的製冷循環部分1303表示圖12中的製冷系統的一些部件，包括泵501、蒸發器1202和一個或更多個膨脹閥1204。
[0080]為了實現該實例的目的，我們假定，在壓縮機502中壓縮第二工作流體之前或期間，包括第一工作流體F1的液體噴霧被補充到第二工作流體F2中。液體噴霧蒸發，從而吸收第二工作流體在壓縮期間產生的熱，因此噴霧具有冷卻作用。將參照圖18A和18B詳細描述圖13的模型所涉及的系統的其他細節內容。如圖所示，計算機模型使用戊烷作為第一工作流體。第二工作流體是戊烷、氦和氮的混合物。圖18A和18B根據圖13中的各系統元件的位置示出了第一和第二工作流體的溫度、壓力和質量流量。但是，應該意識到，本發明並不局限於該實例中所示的這些工作流體和/或溫度、壓力和/或質量流量。
[0081]在圖13中，應該認為，外部源將10個單位的熱能(Qinl3)提供給蘭金循環部分1301。在該實例中，在溫度為500° F下提供這10個單位的熱能。另外，為簡單起見，沒有附加熱能補充給混合腔504中的工作流體(即，省去了可選擇的步驟1109)。可使用計算機模型來計算實際循環效率。除了從外部源提供的熱能Qinl3以外，還從製冷循環1303中回收得到另外6個單位的能量。因此，共有16個單位的熱能提供給蘭金循環部分1301中。在蘭金循環部分內，獲取1.95個單位的功(Wtjutl3a)。從蘭金循環部分1301排出的14.05個單位的熱能被傳遞給布雷頓循環部分1302。從這14.05個單位的被傳遞的熱能中，布雷頓循環部分1302獲取4.66個單位的功，排放出9.39個單位的熱能。這9.39個單位的熱能中，有6個單位的熱能被傳遞給製冷循環1303，有3.39個單位的熱能作為廢熱Qoutl3從冷凝器512排放到大氣中。根據當前技術估測部件的性能，通過使用該估測的性能值可以得出:在製冷循環期間從冷凝器排出的6.00個單位的熱能(Qreturn)被獲取時，系統將消耗2.00個單位的有用功(Winl3)。
[0082]將圖13的方案作為整體來看待能發現，外部源僅提供10個單位熱能，4.61個單位的能量最終被轉換成有用功，該有用功可解釋為執行製冷過程所需的附加能。前面描述的內容可總結為，1.95+4.66-2.00=4.61。最終，僅有3.39個單位的能量作為廢熱被排出，從而總循環效率為46.1%。該效率值表明，與在相等溫度下運行的傳統循環所達到的效率相t匕，本申請的效率顯著提高。圖13是用於理解整個循環過程的基本圖形，但是，請注意，圖18A和18B所不的表更詳細說明和反映出該系統的熱能和機械能損耗。
[0083]現在請參照圖14，圖14是實例狀態圖，示出了系統1200內的壓力與位置的關係。根據循環內的位置和流體類型示出了壓力。圖15是實例性能概略圖，示出了系統1200內的溫度與位置之間的關係。根據循環內的位置和流體類型示出了溫度。在圖14和15中，代表布雷頓循環和蘭金循環的線的重疊區域表示循環的嵌入部分。本領域的普通技術人員將能意識到，圖14和15中的壓力和溫度僅用於示例說明目的，本發明並不局限於所示的值。
[0084]在某些實施例中，圖4-15所示的循環和系統可與其他熱動力循環組合。這類組合循環產生的效率甚至高於參照圖4-15所述循環的效率。例如，圖16示出的實例中將圖12的循環組合在一系統中，在該系統中從開式布雷頓循環燃燒器(如氣體渦輪機)被供送的高溫源用於蘭金循環部分1301。在此,開式布雷頓循環燃燒系統1602在相對高的溫度(大致為2000° F)下運行。在該模型中，10個單位的熱能(Qinl6)被輸入系統中。開式布雷頓循環燃燒系統從10個單位的熱能中獲取3.74個單位的功(Wwtl6a)，從循環中產生1.13個單位的廢熱(Qtjutl6a)。從開式布雷頓循環1602被排出的熱能(QtMnsfOT)中，剩餘的5.13個單位的熱能傳遞給蘭金循環1301，使蘭金循環1301在大致800° F下運行。在其他方面，圖16中的結構布置類似於圖11-13所示的結構布置。
[0085]除了從圖16所示的開式布雷頓循環被輸送的熱能QtMnsfCT以外，還從製冷循環1303中回收得到另外3個單位的能量。因此，共有8.13個單位的熱能提供給蘭金循環部分1301。從蘭金循環部分中可獲取1.31個單位的功(Wtjutl6b)。從蘭金循環部分1301排出的
6.82個單位的熱能被傳遞給布雷頓循環部分1302。從被傳遞的這6.82個單位的熱能中，布雷頓循環部分1302提取3.08個單位的功(Wtjutl6e)，排放出3.74個單位的熱能。這3.74個單位的熱能中，3個單位的熱能(Qltetuml6)被傳遞給製冷循環1303，0.74個單位的能量(Qwtl6b)作為廢熱從冷凝器512直接排放到大氣中。根據目前的技術估測部件的性能，通過使用該性能值可得出:提取在製冷循環期間從冷凝器排出的3.00個單位的熱能(Qlteturnl6)時，系統將消耗1.00個單位的有用功(Winl6)。
[0086]將圖16的方案作為整體看待能發現，外部源僅提供10個單位的熱能，7.13個單位的能量最終轉換成有用功，該有用功可解釋為用於執行製冷過程所需的能量。前述內容可總結為3.74+1.31+3.08-1.00=7.13。最後，僅有1.87個單位的能量作為廢熱排出，從而總循環效率為71.3%。對於圖16中所示的結構布置而言，計算機模型顯示出系統效率大致為71.3%。此相對高的效率值表明:與在類似的源溫度下運行的傳統組合循環所達到的效率相t匕，本申請的效率可能會顯著提高。
[0087]在圖11和12中，製冷循環使用F1流體作為有效製冷劑以從冷凝器512中第三工作流體F3中獲取熱能。根據本發明的某實施例，蒸發器1202可選擇地設置在一位置上，在該位置處第一工作流體(F1)作為製冷劑能從其他熱源中吸收熱量。這類其他熱源可以是替換熱源，或是替換熱源及冷凝器內的可利用熱源。如果使用這類其他熱源，其可包括第二和/或第三熱源。如果第二和/或第三熱源與冷凝器512內的可利用熱源結合使用，那麼，有益地，蒸發器1202的局部部分可位於冷凝器內，局部部分位於冷凝器外部。通過採用這種結構布置，可利用蒸發器1202從冷凝器512和第二和/或第三熱源中吸收熱量。本領域的普通技術人員將能意識到，能在從冷凝器512中吸收熱量之前、之後或同時，從這類其他熱源中吸收熱量。第二和/或第三熱源能包括與圖11和12所示循環的任何其他部分(在該部分可消耗循環的廢熱)相關的部件。例如，這種被排出的熱能或廢熱可存在於地熱井的回流管路中。圖17中示出了具有這種配置的系統。
[0088]在溫度大致為325° F下，地熱井中的蒸氣通常從地面冒出。考慮這樣一種系統:第一工作流體由戊烷組成，鍋爐的運行壓力為60psia、入口溫度為160° F、出口溫度大致為280° F。在這種系統中，循環的蘭金部分中使用的戊烷僅能吸收大致高於160° F的熱(因為這種情況下，鍋爐510的入口溫度為160° F)。戊烷在60psia下轉變為蒸氣的過渡溫度為185° F。這最終意味著，返回到地熱井中的水的溫度大致為160° F(即，其含有大量熱能)。
[0089]在前述例子中，可認為，蒸發器1202 (或其一部分)位於地熱井的回流管路中或靠近地熱井的回流管路(或位於其熱交換器中)，如圖17所示。在該實施例中，戊烷(在蒸發器1202內起到製冷劑作用的第一工作流體)能從該熱源中吸收熱能。事實上，與從冷凝器512內吸收熱量的情況相比，蒸發器能更容易從地熱回流管路中吸收這種熱能。這是因為，這種情況下，地熱井的回流管路溫度大致為160° F，而冷凝器中的第三工作流體的溫度大致僅為90° F。最終，這意味著，如果蒸發器1202被配置為從地熱井的回流管路中吸收熱量，那麼，圖11和12中的系統的CoP(性能係數)能進一步提高。對於文中所述的結構布置而言，地熱回流管路的溫度最終大致為120° F(而不是前面所述為160° F)。這種溫度差異表明，大量熱能能用於該循環中而不是返回到地下。
[0090]通過前述內容將能理解到，本發明的集成式製冷循環具有許多優點，尤其是在該系統用於從廢熱中吸收有用能的情況下。不具有這種製冷循環的傳統系統在利用這種廢熱的能力方面遠不及本發明的系統，這是因為，傳統系統中的溫差太小不足以帶來這種優點。
[0091]在製冷循環中產生的冷卻的第一工作流體F1還具有其他用處。在某些實施例中，該冷卻的第一工作流體能用於冷卻冷凝器512的表面、和/或用於直接冷卻第三工作流體。在另一實施例(未示出)中，在蒸發器環境內的被冷卻的第一工作流體能用於進一步冷卻冷凝器內的一部分F1冷凝物。這能通過將蒸發器的一部分浸沒到液態冷凝物中來實現。冷卻的冷凝物之後能有利地用作為噴霧，以直接冷卻進入的第三工作流體。總體上，泵501的機械功用於將第一工作流體輸送到溫度更高的鍋爐510中，同時也能降低蒸發器1202的熱環境內的第一工作流體的溫度。在此方面，泵501實質上以製冷劑泵模式或作為熱泵運行。冷卻的工作流體F1然後可用於更有效地從冷凝器內的第三工作流體F3或上述的其他廢熱源(如，地熱回流管路)中吸收熱量。
[0092]本領域的普通技術人員將能意識到，各實施例的總系統性能理所當然由各種不同變量決定。例如，這類變量包括但不局限於:
[0093](I)第一工作流體F1的化學屬性；
[0094](2)第二工作流體F2的化學屬性；
[0095](3)第一工作流體F1的質量流量；
[0096](4)第二工作流體F2的質量流量；
[0097](5)循環中的每個位置的溫度；
[0098](6)循環中的每個位置的壓力；
[0099](7)循環中的每個位置的密度/容積；
[0100](8)每種流體狀態和混合流體狀態時的焓；
[0101](9)每種流體狀態和混合流體狀態時的比熱比(Cp/Cv)。
[0102]通常，圖4-16中所示的循環根據用於提供熱能的熱源的種類或類型來配置。因此，可使用計算機模擬工具來選擇和模擬合適流體。然後，在選定的系統配置的設備內的溫度和壓力的合適控制點周圍，對循環的操作和控制進行微調。在循環內的選定位置，主要通過改變某種流體組合物的各工作流體的流量來控制這些溫度和壓力。
[0103]在參照圖4-16所述的本發明中，第一和第二工作流體在混合腔中的混合比率可以是靜態或動態的。靜態流體混合涉及在混合腔504中以固定流量混合第一和第二工作流體。換句話說，在預定溫度和壓力條件下，每種工作流體的質量流量固定不變。在這種實施例中，每種工作流體的動態特性幾乎保持穩定狀態，幾乎以固定速率輸入熱能，以固定或基本固定速率輸出(軸機械能)。
[0104]與此相反，動態流體混合涉及在混合器/熱交換腔504中以可變流量混合第一和第二工作流體。例如，為了控制這種發動機系統的操作動態特性，可執行這種動態混合過程。在執行這種動態流體混合過程中，每種工作流體的溫度、壓力和質量流量狀態根據操作循環內的波動或變動動態地波動。在這些情況下，輸入能(熱能)與載荷值(即，輸出功率)一起改變，因此，在一些實施例中，改變組分第一和第二工作流體的相對質量流量比改變混合比預定(固定)的混合物的總質量流量要更合適。但是，本發明並不局限於此，在混合比固定的情況下，總質量流量可變化。可供選擇地，混合比和總質量流量都可變化。
[0105]可通過任何合適方式動態控制混合比。在某優選實施例中，通過泵速率或泵速501控制第一工作流體F1的流量，可通過將蒸氣從冷凝器吹入或補充到離開冷凝器的管線中來控制第二工作流體F2的流量。另外，可通過改變壓縮機502的速度來控制第二工作流體F2。可供選擇地，混合比控制系統可以包括一個或更多個控制閥520、522，所述控制閥用於選擇性地改變第一工作流體和/或第二工作流體的質量流量。通過改變一種或兩種工作流體的流量，第一工作流體和第二工作流體之比將在熱交換腔內變化。本領域的普通技術人員將能意識到，在各種條件下，閥的位置和混合比的優選範圍將取決於系統的各種具體因素。這些因素包括含有第一和第二工作流體的化學物質。根據流體和流體組合物的耗熱率、溫度、壓力和化學屬性，將含有混合的第一和第二工作流體的第三工作流體配置在系統特定基礎上。
[0106]在本發明的某實施例中，通常情況下，第一工作流體和第二工作流體之比大致為1/3至2/3。在不同實施例中，該比率可超過該範圍。在第一種配置中，第一工作流體佔1/5，第二工作流體佔4/5 ;在第二種配置中，第一工作流體佔2/3，第二工作流體佔1/3。但是，本發明並不局限於此。如前所述，在極端情況下，可僅使用一種流體成分運行該系統。這種情況下，將一種工作流體配置為使其作為第一工作流體和第二工作流體運行。在這種實施例中，在含有系統的這些元件的物理設備內，不同位置上發生的液體轉變為蒸氣的相變過程被仔細控制，本發明以這種控制為基礎。這些不同位置包括鍋爐、膨脹器、壓縮機、泵和冷凝器。
[0107]為了運行圖4-13中所示的熱動力循環系統，根據許多相互關聯的因素選擇流體。在選擇流體的化學組成過程中，運行溫度和壓力條件是重要的考慮因素。另外，合適的是，選擇第一工作流體的沸點使其相對於可利用的熱源的溫度適宜。例如，如果熱源是溫度為350° F的地熱，那麼，需要選定的第一工作流體能通過其蒸發而吸收該熱源的熱量。應考慮到:在大氣壓(14.7psia)下，化學物質戊烷的公知沸點為97° F。在該操作實例中，戊烷被加壓至達到120psia，從而其沸點達到240° F。鍋爐將戊烷加熱至達到350° F，高於其沸點，從而能使戊烷在升高的壓力下蒸發。本領域的普通技術人員很快會發現，如果熱源溫度低得多或戊烷的壓力更高，那麼不會根據需要發生狀態轉變。同樣地，戊烷暴露在350° F的熱源中時，其能通過蒸發(沸騰)吸收能量。在該實例中，加壓的蒸氣態戊烷將能做一部分功，另外還能將熱潛能傳送給布雷頓循環部分中的第二工作流體。
[0108]還需要選擇第一工作流體使其在冷凝器中能夠再冷凝至液態。例如，在某些實施例中，有益地，可選擇丙烷作為第一工作流體，這是因為，與其他工作流體如戊烷(假定在相同壓力下運行)相比，丙烷在更低溫度下從液態轉變為蒸氣態。丙烷在大氣壓下的沸點為-44° F。例如，在空間功率應用場合中，丙烷是一種適宜的工作流體。在這種應用中，散熱器能容易達到十分低的溫度(-100° F)，其低於地面正常溫度。因此，有益地，在這類場合中可使用類似於丙烷的工作流體，可充分利用其低沸點。
[0109]也可根據指定工作流體的潛熱容來選擇流體。通過對比戊烷和水可以理解為什麼潛熱容是重要的選擇依據。在預定壓力下將一磅戊烷轉變為蒸氣所需的熱量大致是將等量水轉變為蒸氣所需熱量的1/6。另一種解釋為，在相等壓力下消耗等量熱能的情況下，從液態轉變為蒸氣的戊烷的質量大致為水質量的六倍。例如，戊烷的沸點比水低，因此，戊烷的優點在於能獲取更多低溫熱能，但是缺點是:假定輸入能相等，需要戊烷質量為水質量的六倍，才能讓兩者形成幾乎相等的容積。另外，每磅甲醇(其在大氣壓下的沸點為148° F)蒸發所需的熱能大致為戊烷的3倍，很顯然大致為水所需能量的二分之一。
[0110]在本發明中，使用某些流體作為第一工作流體是不利的。例如，在本發明中，使用體積膨脹能力極低的工作流體並不是最佳選擇。另外，沸點更高、體積膨脹能力強的某些流體僅能在溫度高於源溫度的情況下運行。因此，這類流體不能用於更低溫度的熱源，但是在熱源溫度更高的其他配置系統中運行良好。一些流體在蘭金循環部分中運行良好，但在與布雷頓循環部分相關的膨脹步驟中運行不佳。因此，重要的是，要選擇流體使其屬性與熱能源特性匹配。
[0111]第二工作流體的作用體現在兩個關鍵能力。首先，第二工作流體主要用於將一部分壓縮熱能轉換成流體容積。上述轉換的方式為:將壓縮第二工作流體F2產生的熱能用於使第一工作流體F1轉變成蒸氣，第二工作流體F2放棄的熱能是第一工作流體F1蒸發所需的蒸發潛熱。另外，第二工作流體起到第一工作流體的載體或輸送載體的作用。第一和第二工作流體混合時，第一工作流體能有效地嵌入第二工作流體中。第二工作流體還起到載熱介質的作用，提供了一種在膨脹期間將第一工作流體的熱能有效地轉變為有用功(電能或機械能)的方式。
[0112]第二工作流體是用於在第二膨脹器506中做功以產生電能或機械能的主要資源。同樣地，適宜的是，第二工作流體為低密度蒸氣或惰性氣體(如，氦)。氦不與第一工作流體結合，易與第一工作流體分離，因此，使用氦是有利的。選擇第二工作流體使其在具體應用中通常不凝結成液體，這也是適宜的。值得注意的是，如果第二工作流體凝結成液體，那麼圖4-13中所示的循環主要是蘭金循環。
[0113]在本發明的某實施例中，第二工作流體將由50%的氦和50%的氮的混合物組成。在這種實施例中，有益地，選擇戊烷或水作為第一工作流體。水優選用作為第一工作流體，與戊烷(300° F至500° F的鍋爐溫度範圍)相比，水可在更高溫度(如，500° F至1200° F的鍋爐溫度)下運行。在本發明的另一實施例中，第二工作流體可由50%的丙烷和50%的氦組成。在這種實施例中，可選擇戊烷作為第一工作流體。請注意，使用氦作為第二工作流體的成分是有利的。這是因為，與氮等氣體相比，氦在膨脹期間將更有效地冷卻並在壓縮期間更有效地變熱。但是，本發明並不局限於這些工作流體，可合適地選擇其他工作流體用於本發明。
[0114]本領域的普通技術人員將意識到，本發明並不局限於在此所述的特定工作流體或流體成分。根據可利用熱源、熱源之間的溫差和流體蒸發速率、以及其他類似的設計考慮因素，可選擇最優流體和/或流體成分的任何合適組合用於特定應用場合。總體來說，應該選擇能相互協調運行的第一和第二工作流體。具體而言，膨脹期間第二工作流體更迅速冷卻(與第一工作流體相比)，從而能夠促進能量從第一流體交換給第二工作流體。從而，膨脹循環快結束時，第一工作流體狀態接近氣液過渡狀態。因而，當第一工作流體冷凝時，第一工作流體與第二工作流體分離並可聚集在冷凝器中。這種獨特的流體性能提供了一種在運行期間能調節吸熱(補熱/蒸發)率和流體排出(冷凝)率的方式。
[0115]如上所述，有益地，本發明使用至少一種工作流體在文中所述的熱循環中起冷卻或製冷作用。圖11和12涉及第一工作流體可用於這種冷卻作用的一種方式。這種冷卻的另一種替換方式為，使用液體噴霧流體來冷卻壓縮機502中的第二工作流體。更具體而言，液體噴霧流體補充到第二工作流體中之後或同時，可立即在壓縮機502中壓縮第二工作流體。該過程有助於去除掉壓縮第二工作流體所產生的一部分熱量。
[0116]在某些實施例中，選擇液體噴霧是有利的，其是一種不同於第一和第二工作流體的獨特的工作流體。但是，在優選實施例中，有益地，選擇由第一工作流體組成的液體噴霧流體。圖5中示出了這種配置，圖5示出了可選擇的工作流體F1流從泵501的高壓側流到壓縮機502中。但是，本發明並不局限於此，也可選擇其他工作流體作為噴霧流體以使其在冷凝過程中能被分離。
[0117]很顯然，上述液體噴霧方法能減少在特定壓力下形成指定的工作流體容積所需的壓縮機功。具體而言，將溫度更低且還能吸熱的液體噴霧引入壓縮機502內的被壓縮的第二工作流體中，從而能便於將熱能從第二工作流體傳遞給液體噴霧流體。從壓縮的第二工作流體傳遞的熱能為液體噴霧流體提供了所需的蒸發潛熱，從而使液體噴霧流體轉變為蒸氣。如上所述，液體噴霧可由第一工作流體組成。通過採用這種方法，圖5和12中的物理設備能產生更大容積流量的蒸氣而提供到混合腔504中，但不會進一步增加壓縮機溫度，從而需要更少的壓縮機功。
[0118]採用噴射冷卻時，液體噴霧流體轉變為蒸氣流體，從而能做功。更具體而言，蒸氣噴霧流體和第二蒸氣的混合物能用於在設計壓力和更低溫度下(與僅使用第二流體而不採用噴霧進行冷卻的情況相比)做功。很自然地，假定壓縮機502(壓縮過程)中所用的選定壓力足以提供足夠高的溫度以使噴射流體從液體轉變為蒸氣。在熱動力流體轉變領域，關鍵要注意到，壓力增加時，使液體轉變為蒸氣所需的溫度也增加。因此，重要的是，選擇含有液體噴霧流體的化學物質使其在選定的壓縮過程的溫度和壓力條件下可能轉變為蒸氣。
[0119]在圖5和12所示的實施例中，通過選擇鍋爐的源溫度和/或控制第一工作流體的流量，通常可控制第一工作流體的溫度。輸送到鍋爐510中的第一工作流體的壓力由泵501控制。因此，蘭金循環部分中的初始壓力值可由泵501控制。相同的泵或其他泵與節流閥1204協調地控制蒸發器1202內的真空或相對低的壓力。
[0120]在本發明的某實施例中，第一工作流體和第二工作流體在幾乎相等的壓力下進入混合腔504中。工作流體F2的壓力通常通過壓縮機502的操作來控制。另外，壓縮機502優選被設計成，能提高第二工作流體F2的壓力至達到合適值，從而提供大致與第一工作流體壓力相同的加壓第二工作流體流。混合腔的特定設計能讓這些流體的壓力具有差異，這些均包含在本發明的範圍內。
[0121]第二工作流體從壓縮機502排出時的溫度最好由液體噴霧流體的質量流量和類型控制，其中，組合該液體噴霧流體用於特定的設計結構。通過增加補充到壓縮機502中的第二工作流體中的液體噴霧流體的質量流量，將能降低組合流體的溫度。這種降溫特性的局限性在於，液體噴霧流體將留在壓縮機中(即，液體噴霧流體未被蒸發)。從壓縮機排出的任何剩餘的液體噴霧流體在該系統中做功的能力很小或無此能力，在某些情況下，會進一步減小隨後在該循環中達到最優流體流的可能性。液體噴霧轉變為蒸氣將減小壓縮機溫度，並在有效的低溫下增加容積流量。
[0122]在某優選實施例中，離開壓縮機502的蒸氣的壓力和溫度的組合足以在噴霧流體進入混合腔504時保持噴霧流體為蒸氣狀態。如果相對於噴霧的質量流量而言溫度太低和/或壓力太高，那麼，一部分噴霧將不適宜地保持為液態。很顯然，一小部分液體噴霧流體沒有完全由液體轉變為蒸氣，在某些情況下，本發明的特定應用可以接受這種狀況。由於離開鍋爐的F1的熱量補充給這種液態噴霧流體，因此，之後液態噴霧流體將在混合器中蒸發。因此，在某些情況下，所述一小部分未蒸發的流體不會過度影響系統性能。
[0123]被加熱的工作流體混合物包括離開混合腔504的第一和第二工作流體(在某些情況下還包括噴霧流體)，該混合物的壓力和溫度受許多因素控制。這些因素包括第二膨脹器506的膨脹率、第一、第二和第三工作流體的質量流量、噴霧流體的質量流量以及提供給鍋爐內的第一工作流體的熱能的量或速度。其他因素包括，從第一膨脹器(如果使用的話)中提取的有用功的百分比、以及第一工作流體在從第一膨脹器508排出之後其中仍存的熱能。本領域的普通技術人員應該能理解到，在循環運行期間可調節這些控制設置以保持連續運行。例如，可通過選擇性地改變流體混合物的壓力來控制這些參數。類似地，可通過調節工作流體的質量流量及各比率，可在循環內達到適宜的運行溫度。相對於流體的質量流量而言，熱輸入的速率增加時，運行溫度也增加。
[0124]控制溫度的另一種方式是，使進入壓縮機502中的第二工作流體的溫度升高。當冷凝器溫度升高時通過有效地保持第二工作流體的質量流量固定不變，從而能控制溫度。通過降低泵514將能量泵送到冷源516中的泵送速度，或者減少圖12中的蒸發器1202消耗的熱能，從而能升高冷凝器中的溫度。升高第二工作流體的溫度的替換方式是，增加壓縮機502的壓縮壓力，但不增加噴霧流體的質量流量；或者，相反地，保持第二工作流體的流量固定並降低噴霧流體的質量流量。除了如上所述那樣控制第二工作流體的溫度以外，還可通過更廣泛的方式來控制冷凝器512內的溫度和壓力。
[0125]本發明能採用許多變化形式，這些均包含在本發明的範圍內，前提條件是:通過直接混合每個循環中所用的工作流體，使從第一熱動力循環排出的熱量傳遞給第二熱動力循環。
[0126]文中所述的循環本質上能有效、高效地利用更大量的可利用能量(即，熱能)，因此，文中所述的循環優於其他循環。文中所述的循環沒有對基礎熱力學原理的整體性或整個循環配置中的過程造成不利影響。事實上，文中所述的每個單獨的過程步驟是易理解的熱力過程。每個步驟的熱力過程遵循傳統系統中單獨執行的類似過程。但是，傳統系統並沒有以文中所述方式組合這些過程步驟，因此不能達到相同效果。
[0127]通過建立計算機模型來顯示每個單獨步驟的細節以及步驟之間的邊界點之間的關係，能整體地評估循環過程。有益地，所述循環包括使用可利用的低溫能源，通過再循環過程再利用通常被廢棄的熱能。因此，計算機模型包括評估過程，該過程將迭代計算結合在性能模擬中以解釋回收能量。這種模型和模擬證實了本獨特方法有效，該方法通過合適地布置蒸氣狀態轉變來利用潛熱。與採用傳統公知方式能達到的效果相比，本發明的方法和設備能將更大一部分可利用熱能轉變為功。
【權利要求】
1.一種用於在連續循環中通過熱能做功的方法，包括以下步驟: 加壓第一工作流體； 加熱一定壓力下的第一工作流體以獲得由第一工作流體形成的第一蒸氣； 壓縮含有第二蒸氣的第二工作流體； 混合所述第一蒸氣和第二蒸氣以形成第三蒸氣； 在所述混合步驟之後，將熱量從所述第一蒸氣傳遞給所述第二蒸氣； 膨脹所述第三蒸氣以做功； 冷卻所述第三蒸氣以使所述第一蒸氣的冷凝物與所述第二蒸氣分離；以及通過使用在所述冷卻步驟中回收得到的所述冷凝物和所述第二蒸氣重複進行所述連續循環，所述冷凝物包括所述第一工作流體，所述第二蒸氣包括所述第二工作流體。
2.根據權利要求1的方法，還包括步驟:在所述混合步驟之前，膨脹第一蒸氣以做功。
3.根據權利要求1的方法，其中，所述冷卻步驟還包括:使用所述冷凝物作為蒸發器中的製冷劑；將所述蒸發器設置在其能從廢熱源吸收熱量的環境中。
4.根據權利要求3的方法，其中，所述環境含有所述第三工作流體，所述方法還包括步驟:將熱量從所述第三工作流體傳遞給所述蒸發器內的所述冷凝物以冷卻第三工作流體。
5.根據權利要求3的方法，其中，選擇所述環境以便於從所述加熱步驟排出的熱量傳遞給所述冷凝物。
6.根據權利要求3的方法，還包括步驟:所述吸熱步驟之後，在所述加壓步驟中使用由所述第一工作流體構成的所述冷凝物，從而重複所述循環。
7.根據權利要求1的方法，還包括步驟:在所述壓縮期間將液體噴射到所述第二工作流體流中，以冷卻所述第二工作流體，其中所述液體是所述第一工作流體。
8.一種用於通過熱能做功的設備，其包括: 鍋爐，其被構造為用於加熱第一工作流體的加壓流以形成第一蒸氣； 壓縮機，其被構造為用於壓縮第二蒸氣形態的第二工作流體； 混合腔，其被構造為將熱能從所述第一蒸氣直接傳遞給所述第二蒸氣，不包括任何幹預結構；以及 膨脹器，其被構造為用於在所述傳遞之後或期間，膨脹第一和第二蒸氣的混合物以做功。
9.根據權利要求8的設備，還包括冷凝器，該冷凝器被構造為將所述第一蒸氣的冷凝物與所述第二蒸氣分離。
10.根據權利要求9的設備，其中，所述設備被構造為，當所述第一工作流體和所述第二工作流體已經被分離、分別位於所述鍋爐和所述壓縮機中時，再利用所述冷凝物和所述第二蒸氣。
【文檔編號】F01K25/06GK103502582SQ201280021489
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月19日 優先權日:2011年5月2日
【發明者】W·R·帕爾默 申請人:哈裡公司